【技術文章】HDMI 2.1 Fixed Rate Link (FRL) mode Overview

Granite River Labs, GRL
Lucy Chang 張家綺

 

           為了因應消費市場對於高畫質影音應用需求日益增加,HDMI Forum 於 2017 年底發佈了 HDMI 2.1 的最新規格,其中最令人驚豔的新功能就是加入 FRL(Fixed Rate Link)的傳輸模式,它可以說是顛覆了以往 HDMI 介面傳送訊號的方式。HDMI 2.1 發布以前是使用 TMDS(Transition Minimized Differential Signaling,最小化傳輸差分訊號)的架構來進行訊號的傳輸,最高頻寬可達 18Gbps,可用來傳送 3840x2160p 60 等 4K 高畫質影像,而 FRL 模式的頻寬則提升到 48 Gbps,利用壓縮的方式則可傳送高達 10K 解析度的影像,而 FRL 是如何達成這樣的高頻寬呢?

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圖 1:HDMI頻寬演進

 

» HDMI 傳輸通道與編碼方式

           關於 HDMI 通道傳輸的運作方式,在傳統的 TMDS 架構下,是利用一個獨立的通道來傳送 Clock 訊號,但在 FRL 的架構中,將 Clock 嵌入在 Data 的訊號中,再透過後續的 Clock Recovery 處裡方式來解析出Clock 的訊號(圖二),如此一來就可以多一條通道來傳送影像訊號,頻寬因此便獲得提升。

           另一方面,在 FRL 架構下,導入新的物理層傳送方式,在 TMDS 使用的 8b/10b 編碼方式,而 FRL 中是使用16b/18b的編碼方式(圖三),進一步提升通道頻寬的使用率,讓通道可傳輸更高的解析度及影像更新率,提供消費者更好的影音品質體驗。

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圖 2:HDMI訊號通道示意圖

 

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圖 3:16b/18b編碼轉換示意圖

 

           由於在 FRL 架構下,是透過 Link Training 的方式來決定當下是要用甚麼速率來傳輸訊號,HDMI 2.1 FRL 模式定義了六種通道速率讓客戶設計產品的規格(表一)。其中特別的是 FRL 模式依然保有3通道的傳輸方式,由於支援 HDMI 2.1 FRL 的產品需向下相容 HDMI TMDS 模式,原有的 Clock 通道規格上可有較大通道衰減,為了讓客戶能在既有的架構下也能支援 FRL 模式,所以才有3條通道的設計。

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表 1:FRL速率與通道關係圖

 

» HDMI 2.1 FRL 模式下的 Equalizer 應用

           在 HDMI 2.1 FRL 模式下,可以支援最高每條通道達 12Gbps,由於傳輸速率的提升,就會面臨到高速訊號在通道上更大的衰減,為了改善訊號的衰減,HDMI 2.1 導入了更多樣化的 Equalizer 應用(圖四)。

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圖 4:HDMI Equalizer示意圖

 

           在 Transmitter 端加入 Feed Forward Equalizer(FFE)的均衡器,由四種不同大小的 De-emphasis 和 Pre-shoot 值組成,如下圖五所示,Tx 端在 Link Training 時會使用 0=TxFFE0 的 FFE,若需要傳輸更高速率的訊號,Tx 會再經由 Link Training 來決定較高的 FFE 補償,以確保影音資料能完整傳送至 Sink 端。

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圖 5:HDMI Feed Forward Equalizer模組

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表 2:HDMI Feed Forward Equalizer模組

 

           Receiver 端則是使用 Continuous Time Linear Equalizer(CTLE)及 Decision FeedbackEqualizer,不同資料速率的訊號可選擇使用不同程度的 CTLE,將經過了線纜損耗的訊號,在接收端更完整的被還原回來。圖七是訊號加上了 FFE 與不同程度 CTLE 補償後的眼圖。

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圖 6:HDMI Continuous Time Linear Equalizer模組

 

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圖 7:訊號經過FFE與CTLE的補償

 

» Display Stream Compression(DSC)

           除了訊號傳輸的架構做了改變,在低速訊號 Display Data Channel(DDC)上傳輸的 Extended Display Identification Data(EDID),以及 Status and Control Data Channel(SCDC),都開放寫入原本 Reserve 的空間,來增加 FRL mode 新增的功能宣示,而這些低速訊號的溝通在 FRL 的 Link Training 過程中是極度重要的角色。

以下是簡化的 Link Training 流程(圖八):

  1. Source 讀取 Sink 的 EDID 確認是否支援 FRL 模式,若無支援 FRL 模式則會回到 TMDS 模式。
  2. Sink 會透過寫入 SCDCStatus Flags 中的 FLT_Ready 來告知 Source 可以進行 Link Training,當Source 查詢到 FLT_Ready 值被設定後,即可設定要輸出的 FRL Data Rate,支援的通道數並設定相對的 TxFFE 值。
  3. Sink 會要求 Source 輸出相對應的 Link Training Pattern,確認無誤之後即可進入正式的 FRL 訊號傳輸。

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圖 8:FRL Link Training 過程

 

           除了提升通道頻寬達到高解析度影像傳輸,HDMI 2.1 首次引用了 Display Stream Compression(DSC)的技術,DSC 只可使用在 FRL mode 傳輸,以此實現 10K 影像的傳送,DSC 概念是以分割或分段等方式,將影像壓縮後傳輸到 Sink 再進行解碼還原,可以使用較低的頻寬來傳輸高解析度影像(如圖九)。

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圖 9:DSC示意圖

 

           而隨著通道頻寬的提升,訊號傳輸時,對於通道損耗便有更嚴格的要求,用以傳輸訊號的線纜也升級到 Ultra High Speed HDMI Cable,也就是 Category 3 線纜(圖十),可以傳輸高達 48G 的頻寬,相較於先前的線纜e認證,增加了許多項目,如 ACR(Attenuation to Crosstalk Ratio)等等。

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圖 10:Ultra High Speed HDMI Cable

 

» ARC & eARC

           HDMI2.1 也在消費者使用體驗上做了許多更新,相較於 HDMI 1.4 開發的 Audio Return Channel (ARC),HDMI2.1 新增了 Enhanced Audio Return Channel (eARC),比較表如下圖十一,eARC 能夠傳輸高達到八聲道的聲音,以及更高階的聲音格式如 Dolby TrueHD,Atmos 等等,讓消費者在家也能有與劇院相同等級的影音享受。

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表 3:ARC與eARC的比較表

 

» 動態 High Dynamic Range (HDR)

           除了影音傳輸的頻寬升級,HDMI 2.1 更新增了提升畫面細緻度的技術,HDMI 2.0 推出的靜態 High Dynamic Range (HDR),是對整部的影像做同樣參數的處理,HDMI 2.1 推出的動態 HDR (圖十二),是可以針對每一段場景,甚至是每一幀的畫面都做不同的處理,讓影像更真實的呈現給觀影者。

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圖 12:靜態與動態HDR比較

 

           HDMI 2.1 也定義了一些 Gaming Mode 的功能,包含可變刷新速率 Variable Refresh Rate (VRR),快速媒體切換 Quick Media Switching (QMS),快速幀傳輸 Quick Frame Transport (QFT),以及自動低延遲模式 Auto Low Latency Mode (ALLM),整體的概念是提高幀的轉換速度,減少影音輸出到螢幕時的延遲,讓使用者在遊戲的畫面轉換中減少畫面失真或是畫面破格的情況。

           簡單比較 HDMI 2.1 的新增項目如下圖十三,以認證來說 HDMI 2.1 已全面取代 HDMI 2.0,差別在於HDMI 2.1 之下分為 FRL 與 TMDS 兩種模式,目前支援 FRL 的 Source,Sink 與連接器都已經可以進行測試認證,GRL 也已經有相關測試取證的經驗,而 DSC,HDR 與 Gaming Mode 的相關測試項目還未發表,期盼未來整體技術更加完整,以提升 HDMI 影像產業的蓬勃發展。

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表 3:ARC與eARC的比較表

 

 

參考文獻

  • HDMISpecification2.1-94919-0215192500
  • https://www.hdmi.org/spec/hdmi2_1

 

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作者
GRL 台灣技術工程師 張家綺 Lucy Chang

國立中央大學化材系碩士畢業。三年HDMI測試經驗,熟悉HDMI2.1 FRL新技術測試。GRL 技術文章作者及演講講師。

 

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本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。                        發佈日期 2020/08/11 AN-200801-TW